民用建筑电气设计中的节能措施

高晓成

摘要：本文从民用建筑电气设计角度阐述了节能的重要性，从供配电系统、建筑照明、建筑设备、建筑智能控制技术等方面提出了在民用建筑电气设计中行之有效又切实可行的节能措施，供相关人员参考。

关键词：建筑电气 节能设计 照明节能 变频调速 智能控制

中图分类号：TE08文献标识码： A

目前我国还是一个电力资源缺乏的国家，可以说节约电能就相当于一种能源开发，可以缓解用电的紧张程度。在民用建筑中，电能的消耗大致上是：空调用电占到建筑用电的30~40%，动力设备负荷用单占20~30%，一般照明插座负荷用电占30~40%。因此，作为电气工程设计人员，有责任在工作中做好节能设计。

“本文结合国家有关现行设计规范，从建筑电气系统中的供配电系统、建筑照明、建筑设备、建筑智能控制技术、新技术新产品的应用等方面对电气设计节能措施进行探讨。

1.供配电系统的节能设计

供配电系统的节能在建筑电气工程中起着至关重要的作用。电气工程师在供配电系统设计时，应在变电所的位置；变压器的选择；减少线路损耗和提高供配电系统的功率因数等几个方面采取针对性的节能措施。

1.1 供配电系统

根据负荷容量，供电距离及分布，用电设备特点等因素合理设计供配电系统，做到系统尽量简单可靠，操作方便。变配电所应尽量靠近负荷中心，以缩短配电半径，减少线路损耗。合理选择变压器的容量和台数，以适应由于季节性造成的负荷变化时能够灵活投切变压器，实现经济运行，减少因轻载运行造成的不必要电能损耗。

1.2 变压器的节能设计

节能变压器是空载、负载损耗相对小的变压器，根据行业标准要求，某一型号或系列的变压器，新型号的自身功耗应比前一个型号低10%。

减少变压器的有功损耗。变压器的有功损耗按下式计算：

⊿P=Po+KTβ²Pk

式中⊿P—变压器的有功损耗（kW）

KT —负载波动损耗系数

Po—变压器的空载损耗（kW）

Pk—额定负载损耗（kW）

β---平均负载系数

1.2.1 Po作为变压器的空载损耗又称铁损，是由铁芯涡流损耗及漏磁损耗组成，其值与铁芯材料及制造工艺有关，与负荷大小无关，所以在选用变压器时最好选择节能型变压器，如SCB型。

1.2.2 Pk 是变压器额定负载传输的损耗又称变压器线损，取决于变压器绕组的电流及流过绕组电流的大小，并与负荷率平方成正比。因此在选择变压器时应选用阻值较小的绕组，如铜芯变压器。综合地区供电条件、负荷性质、用电容量、运行方式和用户发展，以及变压器、高低压柜、土建投资及运行费用等因素，同时变压器在使用期内又要预留适当的余量，变压器最经济节能运行的负载率一般在75%~85%之间。

1.3 减少线路损耗

由于配电线路有电阻，有电流通过时就会产生功率损耗，

其公式为：⊿P=3I²R·10ˉ³

式中⊿P—三相输电线路的功率损耗（kW）

I —线电流（A）

R—线路相电阻（Ω）

其中“R”线路电阻在通过电流不变时，线路长度越长则电阻越大。任何一个工程中电缆线路都需要贯通始终，对于大型特大型工程，电缆长度更是不计其数，因而造成电能损耗是相当可观的。要减少线路的电阻值应从以下几个方面考虑：

1.3.1尽量选用电阻率ρ较小的导线，如铜芯导线较佳，合金电缆次之。

1.3.2尽可能减少导线长度，在设计中线路应尽量走直线少走弯路，另外在电缆布线中尽可能不走或少走回头路。变电所应尽可能地靠近负荷中心，以减少供电半径。

1.3.3增大导线截面积，对于较长的线路，在满足载流量，热稳定，保护配合及电压降的要求的前提下，在选定线截面时加大一级。虽然增加了线路费用，但节约了能耗而减少年运行费用。综合考虑节能经济是还是合算的。

1.4 提高供配电系统的功率因素

功率因数提高了可以减少线路无功功率的损耗，达到节能的目的。在供配电系统中的某些用电设备如电动机、变压器、灯具的镇流器以及家用电器等都有电感性，会产生滞后的无功功率，它要从系统中经过高低压线路传输到用电设备末端，无形中又增加了线路的功率损耗。然而这部分损耗是可以避免的，具体方法有：

1.4.1通过正确选择电动机、变压器的容量以及照明灯具的启动器，降低线路感抗等措施，提高用电设备的功率因数。在设计中尽可能采用功率因数高的用电设备如同步电动机等，电感性用电设备可选用有补偿电容器的用电设备（如配有电容补偿的荧光灯）等。

1.4.2用静电电容器进行无功补偿，电容器可产生超前无功电流抵消用电设备的滞后无功电流从而达到提高功率因数同时又减少整体无功电流。在具体工程设计中补偿基本无功功率的高压或低压电容器组，可在配变电所内集中补偿。对容量较大、负荷稳定且长期运行的用电设备的无功功率可单独就地补偿。

2.照明节能设计

照明节能设计，概括起来主要从四方面进行：按照规范确定照明标准值；照明光源的选择；照明灯具及其附属装置的选择；照明的控制方式。

2.1 照明标准值

在《建筑照片设计标准》GB 50034-2013中规定了居住建筑、办公建筑、商店建筑、旅馆建筑、医疗建筑、教育建筑等的照明功率密度值，均为强制性条文，这对照明节能有重大意义。如《建筑照明设计标准》中表6.1.3。

表1办公建筑照明功率密度值

在民用建筑电气设计中，设计人员可针对不同的建筑，参照标准值进行设计，合理选取高、中、低档照度水平，有效地控制单位面积安装电功率或单位面积照明功率密度限值（LPD）。

2.2 照明光源的选择

选择优质的电光源，科学的选用电光源是照明节电的首要工作。节能的电光源发光效率要高，使每瓦（W）发出更多光通量（lm）。单端的紧凑型荧光灯（俗称节能灯）其光通量一般为50lm/W，采用一只9W寿命3000～5000h的节能灯完全可以替代40W的白炽灯泡；目前的T5型达到90～110 lm/W，寿命可达8000～10000h.所以在设计中选用节能光源，不但可以节约大约50%的电能，还会改善灯光的显色性。除以上光源外，还有高压钠灯、金属卤化物灯、陶瓷金卤灯、无极荧光灯、LED灯等。这些光源光效高是显著特点，但显色性指数、起点性能、调光性能等各有优缺点，在实际工程设计中，应根据场所的特点和要求合理应用。

2.3 照明灯具及其附属装置的选择

灯具的主要功能是将光源所发出的光通进行再分配，选择灯具时应优先选用直射光通比例高，控光性能合理的高效灯具。在实际的应用中，应注意灯具的配光曲线，这是我们进行照明设计时的依据之一，采用合理的灯具配光可提高光的利用率，达到节能的效果。

在附属装置的选择方面主要是针对镇流器。荧光灯应配用电子镇流器或节能电感镇流器；对频闪效应有限制的场合，应采用高频电子镇流器；高压钠灯、金属卤化物灯应配节能电感镇流器。

2.4 照明控制

在民用建筑照明设计中，照明的控制方式对照明节能同样起到了重要的作用。现有的照明控制方式有很多种。在这诸多的控制方式中，如何在照明设计中做到切合实际，是电气设计人员应注意的问题。既要做到使用方便，又要达到节能。

2.4.1对于体育馆比赛场地应按比赛要求分级控制，大型场馆做到单灯控制；大空间场所采用集中控制，并按天然光状况及具体需要采取调光或降低照度的控制措施；影剧院、多功能厅、报告厅、会议室及展厅等宜采用调光控制；博物馆、美术馆等功能性要求较高的场所应采用智能照明集中控制，使照明与环境相协调。

2.4.2对于一般的小型建筑，在设计是应注意：每个照明开关锁控灯的数量不要过多；公共走道、楼梯灯（应急灯除外），采用声光控节电开关；室外照明控制最好用光电控制器替代照明开关等等。房间有多列灯时宜分组控制，所控灯列与侧窗平行。

3. 建筑设备的电气节能设计

建筑设备节能潜力巨大。数据显示，电动机耗电约占到全国总电耗的60%，仅采用变频调速设计，空调可节电30%，电梯可节电20%~30%，水泵、风机等也有可观的节能效果。

3.1变频调速器的应用

在民用建筑电气中的电动机都是与暖通、给排水、建筑等相关专业的设备配套的，由设备制造厂商统一供应的，因此，其节能措施职能贯彻在运行过程中。在设计中减少电机轻载和空载运行可以达到节能目的。因为，在这种情况下，电机的效率是很低的，消耗的电能并不与负载的下降成正比。

采用变频调速器，使其在负载下降时，采用变频的方式，自动调节转换，使其与负载的变化相适应。采用这种方式，可提高电机在轻载时的效率，达到节能的效果。

3.2软起动器的应用

采用软起动器也是一种节能方式，软启动器设备是按起动时间逐步调节可控硅的导通角，以控制电压的变化。由于电压可连续调节，因此起动平稳，起动完毕，则全压投入运行，此设备也可采用测速反馈、电压负反馈或电流正反馈，利用反馈信息控制可控硅导通角，以达到速度随负载的变化而变化。它可用在电动机容量较大，又需要频繁起动的设备，以及附近用电设备对电压的稳定要求较高的场合。

4. 智能控制技术在节能中的应用

建筑设备监控系统由传感器、直接数字控制器（DDC）、传输线路、网络控制器、集线器、执行器、显示器等组成。建筑设备监控系统（BAS）,采用直接数字控制技术，对排水、空调设备、风机、空调动力站及供电系统和设备进行监视及节能控制。

4.1电气专业设备监控系统

电气专业设备监控系统，采用现场总线技术，实现供配电系统的自动化。智能化供配电系统由计算机、通信网络、智能化开关和控制设备组成。该系统可对建筑物的高压供电、变压器、低压配电系统、备用发电机组的运行状态和故障报警进行检测，并检测系统的电压、电流、有功功率、功率因数和电度数据等，为节能和安全运行提供实时信息并向物业管理部门提供必要的运行数据。

4.2智能照明控制系统

智能照明控制系统室全数字、模块化、分布式总线型控制系统，将控制功能分散给各功能模块，中央处理器、模块之间通过网络总线直接通信，可靠性高，控制灵活。系统根据某一区域的功能、每天不同时间的用途和室外光亮度自动控制照明。并可进行场景预设，由BA系统或分控制器通过调光模块、调光器自动调用。

智能照明控制系统作为建筑智能化系统的一个有机组成部分，以实现照明集中管理、节能、舒适的功能，是实现建筑物“节能、高效管理和舒适性”的有效手段之一。

4.3智建筑设备监控系统

4.3.1制冷系统

建筑物或建筑群中的制冷系统由冷水机组、冷冻泵、冷却水泵及冷却塔灯设备组成。对制冷系统进行监测和控制，要求对制冷系统进行启、停控制、连锁控制、台数控制等。冷水机组运行参数的监测可以由设备监控系统直接监测（少量必要的参数），也可通过第三方设备的通信接口进行监测。

4.3.2 空调系统

建筑物内的空调机组通常数量较多，其种类有：全空气处理系统（也称空调机组）、新风（机）+风机盘管、变风量空调机组+变风量末端等。对空调机组和新风机组要求按室外温度选择系统的工作模式；按预定的时间表进行机组的启、停；系统有关部件的联动；按预定的控制规律调节温度、湿度和风量参数使其符合设计要求；并监测系统的运行状态、主要参数和故障报警信号。

4.3.3 给排水系统

对建筑物的给水系统、排水系统（包括雨水、污水）、中水系统进行监控。有些工程中还包括水处理系统，如直饮水水处理系统、游泳馆（池）水处理系统等。给水系统由水池或高位水箱供水，或变频恒压供水。要求监测水池、水箱的水位信号或管网的压力信号，根据水位或压力信号按设计要求控制给水泵的启、停，监测其运行状态和故障报警信号；对变频恒压供水系统要求根据供水总管压力控制变频机组的工作频率，使总管压力保持不变。

4.3.4 电梯系统

建筑物和建筑群的电梯，无论是垂直升降电梯还是自动扶梯或电动步道等一般均由电梯生产厂家成套供应，包括电梯控制器、群控器和楼层显示器等。建筑设备监控系统只监测它们的运行情况（工作状态，有时要求显示运行楼层信息）和故障信息。电梯和自动扶梯的系统运行参数的监测可通过第三方设备的通信接口进行监测。

5.新技术和新产品的应用

随着技术的发展，建筑电气专业也涌现出一些新技术和新产品，例如：新型节能高低压电气产品和新的智能化的节能控制技术，在选择节能的新设备上，应具体了解其原理、性能、效果，从技术、经济上进行比较后，积极推广和采用这些新技术、新方法和新产品，充分发挥新技术和新产品的节能作用。

技术的发展，一些新的光源也逐渐得到应用。例如LED灯。LED，又称发光二极管，是目前最具发展前景的光源，它高效、环保、节能、寿命长，相信将随着技术的进步，成本降低，必然会得到广泛应用。

6. 结束语

在民用建筑电气设计中，作为设计人员应综合考虑电气设计方案，在满足功能需求的前提下，应采取行之有效而又切实可行的节能措施，从而达到真正节约电能的目的。

参考文献

[1] 《全国民用建筑工程设计技术措施节能专篇-电气》. 北京：中国计划出版社，2007.

[2] 《工业与民用配电设计手册》第三版.北京：中国电力出版社，2005.

[3] 《建筑照明设计标准》.北京：中国建筑工业出版社，2013

[4] 《建筑电气设计与施工》.北京：中国建筑工业出版社，唐海.2010